การควบคมวถเมแทบอลซม(Regulation of metabolism)
ปยะนช เนยมทรพย
ชว300 เมแทบอลซมและการควบคมของสงมชวต
การควบคมวถเมแทบอลซมกระบวนการเมแทบอลซมสามารถควบคมไดโดย
1. การควบคมการท างานของเอนไซม - การควบคมแบบอลโลสเตอรก - การเปลยนแปลงโครงสรางทางเคมของเอนไซม2. การควบคมความเขมขนของเอนไซมโดยวธควบคมการ สงเคราะหและการสลายเอนไซม3. การควบคมโดยการแบงเขตของวถแตละวถในเซลลแยก ออกจากกน (Compartmentation)
1. การควบคมการท างานของเอนไซม 1.1 การควบคมแบบอลโลสเตอรก (Allosteric control)
Allosteric enzyme เปนเอนไซมทมบรเวณเรง (active site) ส าหรบให substrate จบอยแยกตางหากจากบรเวณควบคม ซงเปนบรเวณใหพวก ligand เขาจบ ทเรยกวาตวควบคมอลโลสเตอรก การเขาจบท าใหโครงรปของเอนไซมเปลยนไปในแบบทท าใหเอนไซมมความชอบตอ substrate อนเปลยนแปลงไป
จลนศาสตรของเอนไซมทถกควบคมแบบอลโลสเตอรก จะไมเปนไปตามสมการไมเคลส-เมนเทน เมอท าการเขยนกราฟระหวางความเรวของปฏกรยา (v) กบความเขมขนของสารตงตน ([S]) จะไดดงกราฟรปท 11.5 โดยจะเหนวากราฟทไดเปนกราฟคลายรปตวเอส (sigmoid curve) ไมไดเปนกราฟรปไฮเปอรโบลา (hyperbola)
การควบคมการท างานของเอนไซมอลโลสเตอรก มกจะเปนไปในรปแบบทเอนไซมทเรงปฏกรยาตน ๆ ของวถ (pathway) จะถกยบยงดวยผลตภณฑ (product) ตวทาย ๆ ซงเรยกวา การยบยงแบบยอนกลบ (feedback inhibition)
ลกษณะของการยบยงเอนไซมตวแรกนนมหลายลกษณะแลวแตวถทาง คอ
4.1 Basic feedback inhibition เปนการสงเคราะหผลตภณฑอนเกดจากวถทางเดยวและมผลตภณฑสดทายเกดขน โดยผลตภณฑสดทายจะไปยบยงการท างานของเอนไซมตวแรก
4.2 Sequential feedback inhibition การสงเคราะหจะมผลตภณฑสดทายเกดขน 2 ชนด คอ P1 และ P2 ซงตางกไปยบยงการท างานของเอนไซมตวแรกในกระบวนการทเปนแขนง (branch pathway) จงท าใหเกดการสะสมสาร C แลวสาร C นจะไปยบยงการท างานของเอนไซมตวแรกของกระบวนการทงหมด
4.3 Enzyme multiplicity การสงเคราะหแบบนจะมเอนไซม 2 แบบ (isoenzymes) ทสามารถเปลยนสาร A ไปเปนสาร B เหมอนกน แตถกยบยงตางกน คอ ถกยบยงอยางเฉพาะเจาะจงโดยผลตภณฑสดทาย P1 และ P2 ตามล าดบ
4.4 Concerted feedback inhibitionการสงเคราะหแบบนจะเกดผลตภณฑสดทาย 2 ชนด คอ P1 และ P2
และผลตภณฑสดทายทง 2 ชนดนจะตองรวมกนไปยบยงเอนไซมตวแรกในกระบวนการ นอกจากน P1 ยงไปยบยงการท างานของเอนไซมทจะเปลยนสาร C เปนสาร D และ P2 จะไปยบยงการท างานของเอนไซมจากสาร C ไปเปนสาร F ซงเปนเอนไซมตวแรกของแขนง
4.5 Cumulative feedback inhibitionการสงเคราะหผลตภณฑแบบนจะคลายกบ concerted feedback
inhibition คอ จะมผลตภณฑสดทายสองชนดคอ P1 และ P2 แตตางกนทวาผลตภณฑสดทายทงสองชนดจะมความสามารถในการยบยงสารตงตนอยางอสระ
Aspartate family of amino acids showing the branched pathways leading to lysine, methionine, threonine and isoleucine. Lysine plus threonine exert concerted feedback inhibition (dashed lines) on aspartyl kinase (AK) and threonine feedback inhibits homoserine dehydrogenase (HSD). Methionine represses the synthesis of HSD (dots & dashes).
1.2 การควบคมการท างานของเอนไซมโดยการเกดการเปลยนแปลงทางเคม (Covalent modification) การควบคมแบบนเปนการควบคมการท างานของเอนไซมดวยการน าเอาหมใด ๆ มาเตมเขาทโมเลกลของเอนไซม เชน การเตมหมฟอสเฟต (phosphorylation) เปนวธการควบคมท าโดยการเตมหมฟอสเฟต เขาทเอนไซม ตามสมการ
ตวอยางการควบคมดวยวธนทรจกกนด คอการควบคมเอนไซมทเรงการสงเคราะหและสลายไกลโคเจน (glycogen) การเตมและการขจดหมฟอสเฟต จะท าใหเอนไซมท างานได หรอท างานไมได กแลวแตชนดของเอนไซม
2. การควบคมความเขมขนของเอนไซมโดยวธควบคม การสงเคราะหและการสลายเอนไซม เปนการควบคมระดบยนคอ การควบคมการถอดรหส (transcription) และการควบคมการแปลรหส (translation)
Operon theory• Operon = กลมของ gene ทท างานรวมกนในการควบคมการแสดงออก
ของ gene โดยควบคมทระดบการสราง mRNAI = Requlatory gene สราง repressor proteinP = Promotor gene ต าแหนงท RNA polymerase มาเกาะเพอเรม
ขบวนการ TranscriptionO = Operator gene ต าแหนงเปดปด operon โดยจบกบ repressor
proteinS = Structural gene เปนสวนของ RNA ทมรหสส าหรบสราง
mRNA ซง mRNA จะถกน าไปสงเคราะหเปนโปรตนทตองการ
I P O S
Repressor protein• เปนโปรตนทมหนาทจบกบ ต าแหนงโอเปอเรเตอร
• ถาสามารถจบกบโอเปอเรเตอรได จะขวางไมใหเอนไซม RNA polymerase เขาไปสยนโครงสรางได ถอวาโอเปอรอนปด ไมม การสราง mRNA จากยนโครงสรางได • แตถาจบกบโอเปอเรเตอรไมได RNA polymerase ไปทยน โครงสรางได และเกดกระบวนการถอดรหสได mRNA ถอวาโอ เปอรอนเปด
I P O S
2.1 การควบคมแบบเหนยวน า (Inducible operons)
เอนไซมทใชในการผลตผลตภณฑ จ าเปนตองมซบสเตรตเฉพาะของเอนไซมชนดนน หรอสารประกอบอนทคลายกบซบสเตรตปนอยในอาหารดวย ซงจะไปเหนยวน าใหเกดการผลตเอนไซมเฉพาะเพมขน สารทมหนาทในการเหนยวน านเรยกวาสารเหนยวน า (inducer)
Jacob & Monod: lac Operonfirst to describe operon system
Francois JacobJacques Monod
Lac operon• Regulator gene สราง active repressor protein ไปจบท Operator site ท าให Operon ปด
• Inducer ไปจบ active repressor protein กลายเปน inactive repressor protein ไปจบท Operator site ไมได ท าให Operon เปด
inducer
lac operon
ไมมแลคโตส No transcription
มแลคโตส เกด transcription มการสรางเอนไซมในการยอย
Inducer : 1. Analogues
Enzymes Substrates Analogues
-Galactosidase Lactose Isopropyl--D-
thiogalactoside
Penicillin- -
lactamase
Benzylpenicillin Methicillin
Maleate isomerase Maleic acid Malonic acid
Aliphatic amidase Acetamide N-methyl-acetamide
Tyrosinase L-Tyrosine D-Tyrosine, D-
phenylalanine
Cellulase Cellulose Sepharose
Inducer : 2. Intermediates
Enzymes Microorganisms Substrates Intermediates
Glucoamylase A. niger Starch Maltose, Isomerase
Amylase B. stearothermophilus Starch Maltodextrin
Dextranase Penicillium sp. Dextran Isomaltose
Pullulanase Klebsiella aerogenes Pullulan Isomaltose
Maltose
การทดลอง
เลยง bacteria E. coli ในอาหารเลยงเชอชนดตางกน
1 2 3
+ Glucose + Lactose Glucose + Lactose
1 2 3
B-galactosidase
เลยง E. coli ในอาหารทม glucose และ lactose พบวา ไมมการสรางเอนไซมจาก lac Operon
ผลการทดลอง
เพราะอะไร ?เพราะอาหารม glucose เปน carbon source อยแลว
โดยมสารประกอบทเกยวของคอ cAMP : cyclic Adenosine MonoPhosphateCRP : cAMP Receptor Protein(หรอเรยก CAP = Catabolite Activated Protein)
Catabolite repression
ปรมาณ cyclic AMP ในเซลลจะแปรผกผนกบปรมาณ glucose ถา glucose มาก cAMP จะนอย ถา glucose นอย cAMP จะมาก โดย cAMP จะท างานรวมกบ CRP แลวจะชวยให RNA polymerase เขามาจบท Promotor site ไดดงนน เมออาหารม glucose มาก cAMP นอย ท าให RNA polymerase เขาจบท Promotor site ไมได แมวา Operon เปด แตกไมม RNA polymerase ท Promotorsite
อาหารเพาะเชอ ระดบ camp ใน E.coli
+ Glucose
+ Lactose
+ {Glu + Lac}
cAMP
cAMP
cAMP
มแลคโตส ไมมกลโคส เกด transcription มการสรางเอนไซมในการยอย
มแลคโตสและกลโคส ไมเกด transcription
cAMP is Needed for Activation
Catabolite Repression
การกดดนแคแทบอไลต (catabolite repression)จลนทรยมกจะมการผลตเอนไซมทสามารถยอยสารอาหารชนดทดทสดในอาหาร
โดยหลงจากทมการใชน าตาลชนดแรกไปแลว กจะท าใหเกดการสงเคราะหเอนไซมชนดทสองเพอใชในการยอยซบสเตรตตวทสอง ท าใหเกดสารทไดจากการยอย เรยกวา แคแทบอไลต (catabolite) สารแคแทบอไลตทเกดขนบางครงกท าใหเกดปญหาตอการสงเคราะหเอนไซม คอ จะควบคมไมใหเกดการสงเคราะหเอนไซม
diauxic growth
2.2 การควบคมแบบกดดน (Repressible operons)ซบสเตรตนอกจากจะไมเหนยวน าใหมการสงเคราะห
เอนไซมแลว ยงท าหนาทไมใหมการสงเคราะหเอนไซมขน การควบคมการสงเคราะหเอนไซมแบบกดดนน ยนสงเสรม (P) สามารถท าหนาทไดโดยไมตองอาศยตวเรง • Regulator gene สราง inactive repressor protein ไปจบท Operator site ไมได ท าให Operon เปด• Co-repressor + inactive repressor protein ----> active repressor protein ไปจบท Operator site ได ท าให Operon ปด
tryp operon
ไมมทรปโตฟาน เกด transcription มการสรางเอนไซมในการยอย
มทรปโตฟาน ไมเกด transcription
Regulation of transcription
a) Induction
enzymes only expressed when
substrate is present
often: substrate = inducer
b) Repression
enzymes only expressed as
long as product is absent
often: product = corepressor
Gene Expression
1. Induction (การเหนยวน า)
2. Repression (การกดดน)
Inducer = ตวเหนยวน า = เอาออก
Repressor = ตวกดดน
= เตมเขา
Another way to Regulate metabolism
• Gene regulation
– block transcription of
genes for all
enzymes in
tryptophan pathway
• saves energy by
not wasting it on
unnecessary protein
synthesis
= inhibition-
3. การควบคมโดยวธแบงเขตทอยของวถในเซลลแยกออกจากกน (Compartmentation)
ในเซลลยคารโอตพบวาเอนไซมทท าหนาทเรงปฏกรยาของวถใดวถหนงจะมอยในสวนใดสวนหนงของเซลลอยางจ าเพาะ
รวมถงการน าเอนไซมตางๆ ทเรงปฏกรยาทเกดตอเนองกนเปนล าดบใหมาอยใกลชดกนในรปของ multienzyme complex ซงจะชวยให substrate ของเอนไซมนนๆ อยใกลกบบรเวณ active site นนๆ ดวย